高强度钢的焊接

激光焊接和复合焊接技术提高了焊接性能、生产率和焊接质量。焊接高弹性钢(厚度16-17mm)的工业应用主要通过传统焊接(自动气体保护电弧焊，GMAW)来实现。这是因为这种焊接工艺的质量得到了肯定，尽管它需要多道焊道。例如，当以0.8m/min的焊接速度焊接12mm厚的钢板时，GMAW需要五道焊。在一定的条件下，需要对焊接进行一些限制(如不允许背面支撑)，第一遍(根部焊道)需要GTAW，其焊接速度降低到0.1-0.15 mm/min。使用几个焊接站可以减少总的焊接周期，但并不总是可行的。4kW激光光源的出现和使用光纤传输光束，使多个光源耦合起来，作用在工件上的激光功率可达8kW，这样只需几道焊道就可以焊接15-20mm厚的钢板。最近新的激光技术(光纤或圆盘激光器)的发展使得功率高达10kW，并使用几百微米的光纤进行传输，这无疑将促进这些领域的工业进步。对于高弹性钢的焊接，复合焊接工艺(GMAW和激光焊接)与单纯激光焊接(使用冷焊丝)有一定的相关性。焊接大直径储存桶或管的制造促使我们开发适合焊接大直径测试管的工作站。本次评价过程中使用的工作站具有以下特点：在实验中振荡激光头和焊丝或GMAW中多道焊使用的焊枪，以减少金属熔池和母材界面处的未熔合问题。通常焊接件截面为椭圆形，高度可达1cm。这显然与激光焊接或GMAW/复合焊接不一致。焊缝跟踪传感器SRI(机器人伺服系统)控制焊头的Y和Z移动。图一。用于焦点处光斑分析的激光源使用HL4006 D(灯泵浦)和HL4506D(二极管泵浦)。用双光纤和自适应聚焦系统获得直径为450微米的两个光斑。图1显示了光强分布，图2显示了焊接结构。2.焊接图由于两点的功率密度低，顶帽形状的分布，以及Nd:YAG激光功率等因素，我们设计了连接坡口的具体形状来优化根部焊道的厚度，并给出了正确的焊接速度。图3显示了激光焊接和复合焊接的不同坡口形状，由SRI系统测量。这些形状使焊根焊道厚度达到10mm，焊接速度达到0.6m/min(激光焊接)和0.9m/min(复合焊接)。对于复合焊接工艺，V形坡口被扩大以降低根部焊道上端开裂的可能性。仅使用激光焊接的复合焊接图3。槽形填充焊的方法这里，两个填充焊用于完成剩余的4毫米至6毫米。同时，使用固定参数(激光功率、焊接速度、送丝速度和光束振荡参数)。焊接的关键是避免坡口边缘的未熔合。图4示出了这种缺陷的一个例子，这种缺陷是由熔融金属池不能适当地熔化凹槽的侧壁而引起的。图4。凹槽未熔合侧壁的示例。目前，有许多方法来扩大金属熔池。在定位焊中，降低焊接速度会导致严重的缺陷，并且不利于生产率的提高。将激光束的光斑直径扩大到2mm，可以扩大金属的熔池，减少前道焊接的熔深。摆动梁也可用于扩大金属熔池的宽度(但不改变长度)。这里使用第二和第三种方案。同时，移动焊丝和光束，实现频率为8-10Hz的振荡。光束的振幅必须适应凹槽的宽度。加工后，筒体的几何变形导致待焊厚度发生明显变化。测量到大约1-2mm的典型厚度变化。固定参数的填充焊道会使形状在某些地方变平，而在另一些地方太厚。这与正确的封盖相冲突，因为封盖需要平坦的表面。SRI系统用于测量第二次焊接后的填充量。

测量值用于计算相应的送丝速度并进行在线校正，还用于计算焊接工具在坡口中的位置。图5示出了焊丝进给速度变化的示例。此处指定了上限和下限。送丝太快，焊丝熔化不正确；送丝过慢会导致加工不连续，送丝可能会中断，重新送焊丝时也会出现缺陷。此外，焊丝可能会因过热而损坏。图5。焊缝处送丝速度的分布。复合焊接。复合焊接的目的只是提高激光焊接的性能，主要是生产率方面，焊接质量稳定。激光参数与冷丝焊一致。焊接技术比传统技术更需要设置参数。送丝速度：为保证冷焊焊丝的正确熔化，该参数上限约为10 m/min，激光必须能够熔化焊丝。如果使用GMAW，焊丝被电弧熔化，送丝速度可以提高到19 m/min左右。激光束定位：如果使用冷焊丝，焊丝必须穿过激光束才能熔化。如果使用GMAW，则使用激光产生更长的熔池，并保持GMAW工艺获得的金属熔池。并且电弧和激光束之间的距离需要优化。在窄坡口中使用GMAW时，需要控制圆弧形状，以减少对坡口边缘的影响。可以使用不同类型的操作模式，例如脉冲模式或连续模式。根焊速度提高到0.9 m/min，激光功率保持不变，送丝速度为10.5 m/min。对于GMAW，使用脉冲模式。零件之间的间隙控制得很好，但管道的椭圆化会导致严重的错位。在一些

图6. 使用激光和冷焊丝进行焊接

图7. 复合焊接，这里有5mm的错位

填充焊的策略 对于填充焊来说，合仅适用激光焊接的情况相比，我们做了以下两点改进。 ◆ 送丝速度上升到17 m/min。 ◆ 电弧的宽度十分重要，而且与凹槽的宽度相关。因而我们采取固定焊炬，而摆动激光束的方式。这就允许激光对凹槽壁进行更好的熔化，而避免了因为电弧所导致的空穴。 激光参数与冷丝焊接的情况下参数是一样的，只是焊线速度为0.9 m/min。需要三道焊接以实现到达表面的完整焊缝，而封顶是由两道焊接实现的。一个在左侧，送丝速度为17 m/min，另一个在右侧，焊线速度为10 m/min。在这两种情况下，焊接速度均为0.9 m/min。其优势是完全避免了底切，而且在基底金属表面和焊接面之间有光滑的连接。 金相结果 焊缝使用了X光照相进行了检测。在仅使用激光的情况下，没有探测到任何缺陷，没有气孔，裂痕或者未熔合的现象。在复合焊接的焊缝中，我们观察到了小气孔，但是数量上还可以接受。硬度分布显示，在焊缝的底部（很大比例是基底金属）达到了最大值330HV，不过这与建筑要求是相符合的。我们必须考虑到基底材料（高强度钢）的硬度是高于标准钢的。 回弹能量测量给出了有趣的结果，在仅使用激光的条件下，-10℃时，能量吸收为110 J，而在复合焊接的过程中，-10℃ 时，吸收的能量达220 J，这可能是由于焊接速度更高的原因导致的。 结论 本文介绍了与传统的GMAW技术相比，使用激光和激光＋GMAW复合焊接的优势。这里的表格总结了使用这些工艺进行17 mm厚度焊接时使用的主要参数。

- 焊接速度（m/min） 焊道数目 回弹能量 （J） GMAW 0.4-0.6 6-8 80 激光 0.6 5 120 激光+GMAW 0.9 5-6 220

激光焊接和复合焊接技术带来了焊接性能上的提高，这是指生产率的提高（减少焊接道数，提高焊接速度）。此外，焊接区域的机械性能比传统技术所得到的质量更好。这些结果有利于将这些加工技术投入到生产中。新型激光技术的开发，能量密度的提高，将使得实际性能得到改善，另外通过减小激光器和其他工具的尺寸，也将易于加快该工艺的工业化进程。 Frederic Coste 和 Remy Fabbro来自位于法国Arcueil的Laboratoire pour lApplication des Lasers de Puissance。Cyprien Allais 和Jean Paul Mas来自法国SAIPEM-SA., Montigny le Bretonneux。